“我们正试图确定控制植物中阳光捕获和转化效率的下游基因，”达特茅斯大学生物科学教授兼该研究的高级研究员 Mary Lou Guerinot 说。“这项研究增加了我们对植物如何在人类食物供应的关键时刻对环境变化做出反应的了解。”
铁对人体血液中的氧气运输很重要，并且是许多酶促反应的关键辅助因子，包括线粒体中的能量产生。根据该研究中引用的研究，缺铁是人类最普遍的营养障碍。
铁也是植物的重要营养素。缺铁会严重限制光合作用，导致产量下降。
由于大多数人从植物中获取大部分卡路里和营养，因此研究人员了解植物如何处理矿物质非常重要。
“缺铁对光合作用有许多不利影响，”Guerinot 说。“至关重要的是，植物获得足够水平的铁，同时还要调整新陈代谢，以补偿铁供应量的减少和光合效率的降低。”
根据该论文，植物中的铁吸收系统受一系列活动的调节，其中许多活动已被达特茅斯的 Guerinot 实验室发现。在缺铁期间，植物会改变基因的表达以增加铁的吸收、分布和利用。
虽然对植物根部缺铁的反应知之甚少，但对叶片缺铁反应的调节知之甚少。
该研究的重点是“光系统 II”，这是一种蛋白质复合物，它执行光合作用的水分解过程，使光能在叶子中转化为化学能。根据该论文，光系统 II 是缺铁叶片中叶绿体受损的主要目标。叶绿体——植物中发生能量产生光合作用的地方——在植物叶子中储存 90% 的铁。
“已经记录了许多优化铁使用的策略，但在这项研究之前，我们对叶绿体如何适应缺铁的机制知之甚少，”达特茅斯大学的博士生加罗·阿克马克吉安 (Garo Akmakjian) 在这项工作进行时说。的纸。
研究小组通过追踪光诱导叶片漂白的原因缩小了他们的研究范围，该原因在缺铁期间观察到的突变体未能产生调节蛋白 ILR3。在植物的“强光胁迫”期间通常会观察到漂白现象，这为研究人员提供了一个线索，即这些突变植物现在对光更加敏感。
该研究表明，调节蛋白 ILR3 和 PYE 可保护植物在缺铁期间不会吸收过多的光。在这些蛋白质的控制下，叶绿体内部结构的变化允许修复光系统 II，防止产生有害的活性氧。
“我们发现，在缺铁期间，过多的光线会导致叶子漂白和死亡，但 ILR3 和 PYE 的活性可以防止光线变得有毒，从而使光合作用发生而不会导致缺铁植物的相关组织损伤，”Akmakjian 说，他现在是一名加州大学河滨分校博士后研究员。
研究小组希望，了解植物在缺铁期间如何适应光合机制，可以让研究人员优化植物在铁不可生物利用的土壤中的生长。
“随着气候变化，我们种植作物的地点和方式正在发生变化，”Guerinot 说。“在未来，我们不会只在富含营养和充足水源的肥沃土壤中种植庄稼。”
达特茅斯大学的研究生 Nabila Riaz 与他人合着了这项研究，并使用国家同步加速器光源 II 的 X 射线荧光微探针 (XFM) 光束线 4-BM 提供了同步加速器 X 射线荧光光谱图像。
